WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 5 Аномальное воздействие магнитного поля на непрямой экситон в двойных квантовых ямах GaAs/AlGaAs © В.В. Криволапчук, Д.А. Мазуренко, Е.С. Москаленко, Н.К. Полетаев, А.Л. Жмодиков, Т.С. Ченг, С.Т. Фоксон Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Ноттингемский Университет, факультет физики, NG7 2RD Великобритания Исследовались спектры экситонной люминесценции в двойных квантовых ямах GaAs в электрическом и магнитном полях. Обнаружено, что линия непрямого экситона (IX) ведет себя аномальным образом:

наблюдается индуцированный магнитным полем сдвиг IX в сторону низких энергий и возникновение периодических во времени ( 5s) флуктуаций интенсивности линии IX.

1. В последнее время внимание исследователей при- 3. Представленные экспериментальные результаты отвлечено к изучению поведения носителей в двойных носятся к поведению фотовозбужденных носителей в квантовых ямах (ДКЯ). Интерес обусловлен тем, что ДКЯ 10.18/3.82/9.61 nm. Спектр излучения этой ДКЯ при в таких системах возможна конденсация носителей в B = 0 и Vdc = -0.4 V представлен на рис. 2, a. В спектре сверхтекучее состояние [1–3]. Появились эксперимен- присутствует линия прямого экситона (DX) (1.555 eV), тальные работы, свидетельствующие о весьма инте- линия отвечающая прямому экситону, связанному на примеси (BDX) [7], линия непрямого экситона IX и ресных коллективных явлениях в ДКЯ в присутствии линия LIX. Последняя линия отвечает рекомбинации внешнего магнитного поля [4–6]. Настоящая работа посвящена изучению спектров экситонной фотолюми- непрямого экситона IX, локализованного на примеси [8].

Спектральное положение линий IX и LIX определяетнесценции из слегка асимметричных ДКЯ GaAs в присутся величиной электрического поля в ДКЯ и линейно ствии магнитного поля, перпендикулярного плоскости зависит от Vdc в диапазоне -0.4 < Vdc < 0 V. Дальнейслоев ДКЯ.

шее уменьшение Vdc (Vdc < V0 = -0.4V) практически 2. Исследованные образцы (NU1117) были выращены не изменяет положения линии IX, и, следовательно, в Ноттингемском университете методом молекулярноэлектрического поля в ДКЯ, но приводит к появлению пучковой эпитаксии при T = 630C на (001) подложке заметного ( 1 µA) электрического тока (J) через всю GaAs толщиной 0.4 mm. Образцы представляют собой структуру. Приложение магнитного поля B существенно три пары квантовых ям (КЯ) с толщинами (КЯ/барьер изменяет поведение линий IX и LIX. При относительно Al0.33Ga0.67As/КЯ в nm) 20.07/3.82/1.95, 10.18/3.82/9.небольших значениях B 2T (см. рис. 2, b) эти линии и 8.20/3.82/7.63, выращенных на буферном слое GaAs сдвигаются в сторону меньших энергий (такое поведение толщиной 1 µm. Пары ДКЯ отделены друг от друга линий не укладывается ни в какую известную модель, барьерами Al0.33Ga0.67As толщиной 20 nm. Постоянописывающую зависимость спектральных линий от магное электрическое напряжение Vdc прикладывалось к двум индиевым контактам, нанесенным на подложку и сторону образца с ДКЯ (рис. 1, a). Возбуждение и регистрация фотолюминесценции (ФЛ) осуществлялась через небольшое отверстие (0.2 0.2mm) в контакте со стороны ДКЯ (рис. 1, a). Образец освещался светом непрерывного He–Ne лазера (P < 1mW, = 730.3nm), что соответствует подбарьерному возбуждению. Спектры регистрировались при помощи двойного дифракционного спектрометра ДФС-52 в режиме счета фотонов при температуре образца T = 4.2K.

Магнитное поле B (до 5 T) прикладывалось в направлении роста слоев, т. е. параллельно Vdc. Полярность Vdc выбиралась таким образом, чтобы реализовать ”непрямой режим” (рис. 1, b), который отвечает нижайшему энергетическому положению непрямого экситона IX (электрон локализован в широкой, а дырка — в узкой яме) по отношению к энергии перехода прямого экситона DX (электрон и дырка находятся в широкой яме) Рис. 1. Схема эксперимента (a) и энергетическая диаграмма в ФЛ. в случае ”непрямого” режима (b).

2 804 В.В. Криволапчук, Д.А. Мазуренко, Е.С. Москаленко, Н.К. Полетаев...

поле приводит лишь к положительным изменениям E (рис. 3, b,c). Смещение линии IX в сторону больших энергий, индуцируемое магнитным полем, наблюдалось ранее и объяснялось диамагнитным сдвигом [9,10]. Диамагнитный сдвиг должен быть существен при больших IX значениях B: c > ED, где c — циклотронная частоIX та, ED = 3.3meV [8] — энергия связи IX. Действительно видно, что E начинает увеличиваться при B > 2T ( c > 3.5meV) (рис. 3).

Таким образом, можно сделать вывод о том, что сдвиг линии непрямого экситона IX определяется двумя причинами: (i) смещение в сторону больших энергий определяется диамагнитным сдвигом; (ii) сдвиг в сторону низких энергий определяется изменением электрического поля в области ДКЯ вследствие блокировки J.

Фактор (i) должен быть существенным при любых знаIX чениях Vdc, если только выполнено условие c > ED.

В то же время проявления фактора (ii) следует ожидать только в ситуации, когда через структуру (при B = 0) протекает значительный ток, т. е. при Vdc < V0. Механизм блокировки электрического тока магнитным полем не ясен, однако из анализа экспериментальных результатов следует, что существенную роль играют как особенности поведения электронной (экситонной) подсистемы в ДКЯ, так и поведение носителей в слоях AlGaAs, которые разделяются ДКЯ.

Рис. 2. Спектры ФЛ, полученные при Vdc = -0.4V и B = 0 (a), 1.4 (b), 3.5 T (c).

нитного поля в полупроводниках и поэтому является аномальным), и только при дальнейшем увеличении поля B 2 T линии IX и LIX сдвигаются в сторону больших энергий (рис. 2, c). При этом положение линии прямого экситона (DX) ведет себя обычным образом (наблюдается диамагнитный сдвиг). На рис. 3 представлен сдвиг E (E = EIX (B) - EIX(B = 0)) линии IX от величины B при трех различных значениях Vdc.

4. Переходя к обсуждению, важно отметить, что E увеличивается (оставаясь положительной) во всем диапазоне B только при определенных значениях Vdc, а именно V0 < Vdc < 0V (рис. 3, b,c). При этом в указанном диапазоне электрических полей ток через структуру практически отсутствует (J < 0.1 µA). Однако, при Vdc < V0 = -0.4 V, когда появляется заметный электрический ток через структуру, магнитное поле (B < 2T) смещает линию IX в сторону меньших, а при B > 2 T — в сторону больших энергий (рис. 3, a).

Смещение IX в сторону меньших энергий означает, что в ДКЯ индуцируется большее (по сравнению с нулевым значением B) электрическое поле, которое изменяет наклон зон (рис. 1, b). Таким образом, можно сделать вывод о том, что магнитное поле блокирует ток и тем самым способствует приложению к ДКЯ большего эффективного электрического поля. При Vdc > -0.4V ток Рис. 3. Зависимость E от B при различных значениях через структуру практически отсутствует и магнитное Vdc = -0.4 (a), -0.3 (b) и -0.1V (c).

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Аномальное воздействие магнитного поля на непрямой экситон в двойных квантовых ямах... Рис. 4. Спектральный профиль линии IX, полученный при Vdc = -0.5V и B = 2 T. На вставке — зависимость I(t), зарегистрированная при h = 1.545 eV.

Проведенные эксперименты по определению зави- корреляция между флуктуациями интенсивностей ФЛ симости тока от магнитного поля при надбарьерном линии IX и флуктуациями тока через структуру. Причина ( = 632.8nm) и подбарьерном ( = 730.3nm) воз- возникновения низкочастотных колебаний и их связь с буждении показали, что характер блокировки зависит коллективными явлениями не ясна и требует дальнейших от того, рождаются или нет электронно-дырочные пары исследований. Заметим, что это явление может быть исв барьерах (AlGaAs) в результате фотовозбуждения. В пользовано для создания микроэлектронных генераторов этой связи один из возможных механизмов блокировки (переключателей) герцового диапазона частот.

представляется следующим: на процесс туннелирования Авторы благодарны А.А. Каплянскому, Р.А. Сурису, носителей через барьер (и следовательно, ток) знаО.В. Константинову и В.Б. Тимофееву за интересные чительное влияние оказывает взаимодействие (захват, обсуждения результатов и проф. Л.Дж. Чаллису за внирассеяние) носителей с примесями, локализованными мание к работе.

в барьерах AlGaAs. Эффективность этих процессов зависит от протяженности волновой функции зарядов Финансовая поддержка осуществлялась РФФИ (96-02в плоскости квантовых ям: чем больше эта величина, 16952a) и частично INTAS-94-295.

тем более эффективно происходит захват носителей примесью барьера и тем больше ток. Магнитное поле, Список литературы приложенное в направлении роста, локализует носители в плоскости слоев с характерным параметром лока[1] Ю.Е. Лозовик, В.И. Юдсон. ЖЭТФ 71, 2, 738 (1976).

лизации, равным магнитной длине — B, тем самым [2] И.В. Лернер, Ю.Е. Лозовик. ЖЭТФ 80, 4, 1488 (1981).

уменьшая вероятность прохождения носителей сквозь [3] D. Yoshioka, A.H. MacDonald. J. Phys. Soc. Jpn. 59, 12, барьер, и, следовательно, уменьшает ток.

(1990).

Важной особенностью линии IX является наблюде[4] L.V. Butov, A. Zrenner, G. Abstreir, G. Bohm. G. Weimenn.

ние аномально больших флуктуаций интенсивности ее Phys. Rev. Lett. 73, 2, 304 (1994).

спектрального контура, представленного на рис. 4. Зна[5] Л.В. Бутов, А. Цреннер, М. Хагн, Г. Абштрайтер, Г. Бом, чительные флуктуации интенсивности ФЛ линии IX в Г. Вайманн. УФН 166, 7, 801 (1996).

ДКЯ GaAs/AlAs наблюдались ранее в [4,5] иобъяснялись [6] В.Б. Тимоффеев, А.В. Ларионов, П.С. Дорожкин, М. Байер, наличием доменов конденсированного состояния IX. А. Форхел, Ж. Страка. Письма в ЖЭТФ 65, 11, 840 (1997).

В настоящей работе мы измерили во времени интен- [7] E.S. Moskalenko, A.L. Zhmodikov, A.V. Akimov, A.A. Kaplyanskii, L.J. Challis, T.S. Cheng, O.H. Hughes.

сивности I(t) отдельной флуктуации контура линии IX.

Ann. Phys. 4, 127 (1995).

Зависимость I(t) для h = 1.545 eV показана на вставке [8] D.A. Masurenko, A.V. Akimov, E.S. Moskalenko. A.L. Zhрис. 4. Как видно, I(t) имеет четко выраженную амплиmodikov, A.A. Kaplyanskii, L.J. Challis, T.S. Cheng, тудную модуляцию с периодом 5s. Такое поведение C.T. Foxon. Acta Phys. Pol. 90, 5, 895 (1995).

является необычным для излучательных характеристик [9] M. Bauer, V.B. Timofeev, F. Faller, T. Gutbrod, A. Forchel.

электронных (экситонных) переходов в GaAs. СледуPhys. Rev. B54, 2, 8799 (1996).

ет отметить, что глубина амплитудной модуляции не [10] I.V. Butov, A. Zrenner, G. Abstreiter, A.V. Petinova, K. Eberl.

зависит от ширины изучаемого спектрального диапазоPhys. Rev. B52, 16, 12 153 (1995).

на в пределах контура линии IX. Также отсутствует Физика твердого тела, 1998, том 40, №




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.